Analisa Peletakan Multi Horisontal Turbin

## Secara Bertingkat
Agus Suhartoko, Tony Bambang Musriyadi, Irfan Syarif Arief Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail: a.suhartoko@gmail.com
Abstrak—Pemasangan  turbin  sebagai  pembangkit tenaga  listrik  memiliki  beberapa  kendala  diantaranya peletakan  tempat  peletakan  turbin  yang  strategis  agar lebih  mudah  dalam  pembangunan  dan  perawatan. Dalam  penelitian  ini  akan  dicari  berapakah  jarak optimal  pemasangan  array  turbin  agar  menghasilkan daya yang optimal,  sehingga akan dilakukan dua jenis simulasi.  Pada  simulasi  pertama  turbin  yang  dipasang secara bertingkat dengan poros kedua turbin lurus dan simulasi  kedua  selain  disimpangkan  kebelakang  poros turbin  kedua  disimpangkan  kesamping  kemudian dianalisa  pada  kondisi  manakah  turbin  kedua menghasilkan  daya  yang  optimal.  Variabel  pada penelitian  dibedakan menjadi  variabel  kontrol meliputi diameter  turbin  dan  kecepatan  arus,  variable manipulasi  meliputi  jarak  peletakan  turbin.  Pada simulasi pertama turbin akan disimpangkan sejauh 5D; 6D;  7D;  8D;  9D;  dan  10D,  serta  pada  simulasi  kedua ditambah  dengan  simpangan  kesamping  0D;  D;  0,5D; dan  D.  Hasil  yang  didapat  adalah  perbandingan  daya optimal  dengan  jarak  minimal  berada  pada  jarak  6D pada  dan  05L  pada  model  11V  dengan  perbandingan daya 1.042, pada model 14V pada jarak 6D 05L dengan perbandingan daya 1.034, dan pada model 18V pada 6D 05L dengan perbandingan daya 1.007.
Kata Kunci — Array turbine, jarak downstream, jarak lateral, C P .

## I. PENDAHULUAN
nergi  listrik  saat  ini  merupakan  suatu  kebutuhan vital  yang  mungkin  hampir  menjadi  salah  satu kebutuhan dasar manusia.
Perkembangan penduduk dan peningkatan taraf hidup menjadikan  kebutuhan  akan  listrik  meningkat  seiring waktu.  Kebutuhan  tenaga  listrik  di  Indonesia  tumbuh rata-rata  sebesar  8,4%  per  tahun.  Hal  ini  untuk mendukung  pertumbuhan  ekonomi  nasional  yang  rata- rata 6% per tahun[1].
Peningkatan  kebutuhan  tersebut  tentu  menjadi  suatu permasalahan  seiring  dengan  permasalahan  keterbatasan pengelolaan  sumber  energi  di  Indonesia.  Energi  fosil cenderung  menjadi  pilihan  utama  di  Indonesia  walau jenis  energi  ini  jumlahnya  terbatas  dan  cenderung menghasilkan  polusi  bagi  lingkungan.  Sudah  seharusnya kita beralih untuk menggunakan sumber energi lain yang lebih  ramah  lingkungan  serta  cadangannya  masih melimpah atau dapat diperbaharui misal seperti angin, sel surya, energi laut, dan gas bumi.
Tidak  dipungkiri  bahwa  kekayan  Indonesia  memang belum  sepenuhnya  dimanfaatkan,  terutama  pada  bidang maritim  yang  masih  jarang  diminati.  Keadaan  ini tentunya  juga  tak  terlepas  dari  kurangnya  pemahaman mengenai “Negara Kelautan” serta keterbatasan teknologi yang  dibutuhkan.  Selain  hal  tersebut  besarnya  biaya investasi juga menjadi penyebab kurangnya pemanfaatan kekayaan  laut.  Dari  penyebab  tersebut  akhirnya  potensi kelautan  Indonesia  menjadi  terlihat  tidak  menarik  dan diabaikan.  Potensi  energi  terbarukan  yang  ada  di  laut seperti arus laut, gelombang, dan angin pun akhirnya tak termanfaatkan secara optimal, padahal jika dibandingkan, energi  alternatif  tersebut  lebih  ramah  lingkungan  dan jumlahnya  yang  melimpah.  Salah  satu  upaya  untuk memanfaatkan  energi  laut  adalah  dengan  memasang turbin  arus  laut  untuk  mengkonversi  energi  dari  arus menjadi  energi  gerak  rotasi  pada  shaft  turbin  yang kemudian  dikonversi  oleh  generator  menjadi  energi listrik.
Pemasangan  turbin  ini  tentu  akan  memerlukan  biaya yang  besar  baik  untuk  biaya  awal  maupun  biaya perawatan.  Besarnya  nilai  investasi  juga  menyebabkan pengaruh  pada  kekhawatiran  akan  keamanan  turbin  dari sekitar sehingga perlu juga untuk pengawasan pada turbin untuk  menjaga  kinerja  serta  keamanan  dari  turbin  atau lingkungan. Dari hal tersebut tentu akan lebih mudah jika turbin  diletakkan  secara  bersama  atau  disebut  a rray turbine .
Pemasalahan  lain  yang  timbul  ketika  dilakukan pembangunan array turbine adalah penurunan kecepatan aliran  air  setelah  melewati  turbin  akibat  energi  dalam aliran  tersebut  dikonversi  oleh  turbin.  Jika  turbin  kedua dipasang  dibelakang  turbin  pertama  tentu  dalam  jarak tertentu,  turbin  kedua  akan  menghasilkan  daya  kurang dari  yang  diharapkan  sebelumnya.  Penentuan  jarak optimal  yakni  jarak  minimal  dimana  turbin  kedua  dapat diletakkan di  belakang turbin pertama  dan  menghasilkan daya sesuai perencanaan perlu dilakukan untuk membuat suatu desain array turbin yang optimal.
II. DASAR TEORI
A. Energi Laut
Sejauh ini yang umum dilakukan dalam pemanfaatan potensi  kelautan  adalah  pemanfaatan  biota  laut, keindahan laut sebagai wahana wisata, atau pemanfaatan dalam  bidang  energi  adalah  penambangan  minyak  lepas pantai. Potensi kelautan yang lain seperti energi alternatif masih  kurang  diminati.  Energi  alternatif  di  laut  lebih ramah lingkungan dan jumlahnya yang melimpah karena
E
termasuk  energi  terbarukan.  Jenis  jenis  energi  laut  yang dapat dimanfaatkan adalah:
1. Energi Gelombang
Energi gelombang atau ombak merupakan energi kinetik yang  memanfaatkan  beda  tinggi  gelombang  laut Gelombang  timbul  akibat  angin  yang  bertiup  di permukaan  laut.  Kendala  pada  pemanfaatan  energi gelombang  adalah  susahnya  menemukan  lokasi  dengan gelombang yang kuat dan konsisten 2. Energi pasang surut
Terjadi  akibat  perbedaan  ketinggian  air  saat  pasang  dan surut.  Energi  ini  lebih  bisa  diandalkan  daripada  energi ombak.  Kendala  yang  dihadapi  hampir  sama  yakni pemilihan  tempat  yang  sesuai.  Pemanfaatan  energi pasang  surut  dibagi  menjadi  dua  macam  yakni  dam pasang  surut (tidal  barrages) dan  turbin  lepas  pantai (offshore turbines) .
3. Energi panas laut
Energi panas laut atau Ocean Thermal Energy Convertion adalah  pemanfaatan  energi  laut  yang  berupa  panas. Temperatur pada laut akan berbeda dimana di permukaan akan lebih panas dibandingkan dengan di kedalaman laut. Panas  dari  matahari  akan  diserap  di  permukaan  laut sedangkan semakin dalam maka temperatur akan semakin rendah.
B. Tipe Perlengkapan
Energi pada arus laut dapat dimanfaatkan dengan cara dikonversi  menjadi  energi  mekanik  yang  kemudian digunakan  untuk  memutar  generator.  Secara  umum  ada beberapa  tipe  alat  yang  dapat  digunakan  sebagai penangkap  energi  arus  laut  untuk  menghasilkan  putaran poros.
1. Turbin arus laut sumbu horizontal
Bentuk  Turbin  Sumbu  Horisontal  atau Axial  Flow Turbine mirip  dengan  bentuk  dari  propeller.  Propeller akan  berputar  dan  kemudian  akan  menghasilkan  arus perpindahan  air  sedangkan  pada  turbin  arus  akan menabrak daun turbin dan menyebabkan perputaran pada rotor
2. Turbin arus laut sumbu vertikal Turbin  sumbu  vertikal  atau Vertical  Axix Turbine (VAT) atau disebut juga Cross Flow Turbine memiliki  sumbu  tegak  lurus terhadap aliran arus. Klasifikasi VAT secara umum  dibagi  menjadi  tiga  yakni  turbin  tipe Savonius,  Darries,  H-Rotor. Perbedaan ketiga  tipe  turbin  tersebut  terletak  pada bentuk blade turbin.
3. Oscillating hydrofoil
Oscillating  Hydrofoil adalah  sebuah  hidrofoil  yang melekat ke  lengan  yang  berosilasi.  Arus pasang surut air  laut  yang  mengalir  pada  kedua  sisi  sayap  akan menghasilkan  gaya  angkat,  ketika  hidrofoil  telah mencapai  titik  maksimal,  akan  timbul  gaya  yang menyebabkan lengan bergerak kearah yang sebaliknya. 4. Venturi
Perangkat Venturi adalah sebuah perangkat dalam saluran yang  mengonsentrasikan  aliran  pasang  surut  melewati turbin.  Aliran  air  dapat  menggerakkan  turbin  secara langsung  akibat  perbedaan  tekanan  yang  disebabkan dalam  sistem  tersebut  sehingga  dapat  menggerakkan turbin.

## 5. Archimedes screw
Archimedes  Screw  adalah  sebuah  alat  berbentuk perangkat  heliks  (permukaan  heliks  mengelilingi  sebuah poros silinder pusat). Perangkat  ini dapat  menarik daya dari  aliran  pasang  surut  air  laut  yang  bergerak  naik melalui spiral yang kemudian memutar turbin.
C. Blade Element Momentum Blade  Element  Momentum  (BEM) merupakan  salah satu  metode  yang  digunakan  untuk  menguji  operasi turbin. Metode ini merupakan gabungan dari dua metode dengan  metode  pertama  berguna  untuk  keseimbangan momentum pada  arus  yang  melewati turbin, lalu  metode kedua berguna  untuk menguji gaya  yang dihasilkan oleh lift pada  aerofoil  dan drag  coefisien di  sepanjang  daun turbin.
Untuk  perhitungan  lebih  rinci  dan  torsi  serta  putaran dari  turbin  telah  diketahui  maka  perhitungan  daya  dapat menggunakan persamaan (1)[2].
(1) Untuk menghitung effisiensi turbin atau yang disebut juga  koefisien daya  (C P ) adalah dengan  membandingkan daya  air  dengan  daya  yang  dihasilkan  oleh  turbin.  Daya air  didapat  dari  laju  aliran  massa  (ṁ)  yang  merupakan perkalian massa jenis (ρ) dengan debit (Q). lalu dikalikan dengan kecepatan (U)[3].
ṁ   = Q x ρ (2) (3) Cp = P T / P air (4)

## III. METODOLOGI
Tujuan  dari  analisa  yang  dilakukan  dalam  penelitian ini  adalah  untuk  mengetahui  jarak  optimal  pada pemasangan  multi  turbin  bertingkat  dengan  poros  turbin kedua  lurus  di  belakang  turbin  pertama  dan  mengetahui jarak  optimal  pada  pemasangan  multi  turbin  bertingkat dengan poros turbin kedua tidak lurus di belakang turbin pertama
Gambar 2 Turbin sumbu vertikal[5].
Gambar 1 Turbin sumbu horizontal[5].
Terdapat  dua  permasalahan  yang  menjadi  bahan analisa  dalam  penelitian  ini.  Yang  pertama  adalah berapakah  jarak  optimal  agar  turbin  dapat  bekerja  jika dipasang  secara  bertingkat  tepat  di  belakang turbin  yang lain. Dan yang kedua berapakah jarak optimal agar turbin dapat  bekerja  jika  dipasang  secara  bertingkat  dan disimpangkan secara lateral terhadap turbin lain.
Untuk  mencapai  tujuan  tersebut  ditetapkan  lingkup yang  digunakan  mliputi  turbin  yang  digunakanadalah jenis  horizontal  axis.  Penelitian  hanya  difokuskan  untuk melihat  jarak  optimal  pemasangan  turbin  dengan mempertimbangkan  torsi  yang  dihasilkan  oleh  turbin kedua.  Pada  percobaan  dengan  poros  kedua  turbin lurus,  turbin  kedua  akan  dimundurkan  dengan  jarak  5 hingga 10 diameter (D) dengan variasi 5D; 6D; 7D; 8D; 9D; dan 10D. Pada percobaan kedua, turbin kedua selain dimundurkan  juga  disimpangkan  kesamping  dengan variasi  0,5  D  dan  D.  Variasi  kecepatan  arus  ditetapkan dengan nilai 1.061 m/s, 1.414 m/s, dan 1.768 m/s.

## IV. PENGGAMBARAN MODEL
A. Variasi
Dalam  percobaan  akan  dilakukan  beberapa  variasi yang  meliputi  variasi  kecepatan  arus,  variasi  simpangan arah  lurus  kebelakang (downstream) ,  serta  menyamping (lateral) .  Sehingga  akan  diperlukan  penamaan  untuk memudahkan  mengidentifikasi  klasifikasi  pada  model. Penamaan yang direncanakan adalah sebagai berikut:
__V __L __D
__V  Nilai kecepatan arus (04, 11, dan 18) __L  Nilai  simpangan lateral (simpangan samping) (00, 05, dan 10)
__D  Nilai
simpangan downstream (kebelakang).
Pada  penamaan  dengan  nama  11V  00L  05D menyatakan  bahwa  multi  turbin  akan  disimulasikan dengan  variasi  kecepatan  arus  sebesar  1,061  m/s,  jarak lateral 0D  (poros  turbin  kedua  tepat  dibelakang  turbin pertama),  dan  simpangan downstream sejauh  5  D,  dan. Nilai  pada  kode  L  adalah  bilangan  desimal  dengan  nilai 00:  0.5:  dan  1,0.    Dan  05  D  adalah  menyatakan  bahwa turbin  kedua  disimpangkan  dengan  jarak donstream 5 diameter.

## B. Penggambaran model
Penggambaran  model  mengacu  pada  data  yang didapat dari program HARP_OPT[4]. Dengan memasukkan  data  turbin  meliputi power, jumlah  blade, diameter,  kecepatan  arus,  dan  rpm.  Setelah  itu  akan
didapat  grafik  plot  dari  data  yang  telah  diolah  oleh program tersebut.  Data tersebut akan diambil nilai sudut foil, panjang, serta tebal foil.
V. ANALISA DAN PEMBAHASAN
D P1(W) Cp1 P2(W)
Cp2 P 1 :P 2 5 6589.706 0.244 5711.125 0.211 0.867 6 6714.041 0.249 6214.768 0.230 0.926 7 6225.340 0.231 5703.074 0.211 0.916 8 6002.802 0.222 6366.963 0.236 1.061 9 6103.132 0.226 5457.617 0.202 0.894 10 6124.512 0.227 5885.595 0.218 0.961
D P1(W) Cp1 P2(W) Cp2 P 1 :P 2 5 6754.777 0.250 6074.758 0.225 0.899 6 5794.005 0.215 6038.582 0.224 1.042 7 6158.649 0.228 4675.054 0.173 0.759 8 5664.318 0.210 6018.331 0.223 1.062 9 5932.578 0.220 5881.210 0.218 0.991 10 7221.042 0.267 6315.684 0.234 0.875 D P1(W) Cp1 P2(W) Cp2 P 1 :P 2 5 7065.884 0.262 843.047 0.031 0.119 6 5677.691 0.210 4583.772 0.170 0.807 7 6469.155 0.240 5338.870 0.198 0.825 8 6032.453 0.223 5944.646 0.220 0.985 9 7132.868 0.264 6866.794 0.254 0.963 10 6841.015 0.253 4347.201 0.161 0.635
Pada  Grafik  1  yang  membandingkan  jarak downstream dengan  perbandingan  daya  pada  kecepatan  arus  sebesar 1.061 m/s dapat  dilihat  bahwa  perbandingan daya kedua turbin  semakin  meningkat  seiring  bertambahnya  jarak
0.600 0.700 0.800 0.900 1.000 1.100 5 6 7 8 9 10 P1:P2 Jarak Downstream (D) 11V 11V 00L 11V 05L 11V 10L Linear (11V 00L) Linear (11V 05L) Linear (11V 10L)
Tabel 3. Hasil perhitungan variasi 11V 10L.
Tabel 2 Hasil perhitungan variasi 11V 05L.
Tabel 1. Hasil perhitungan variasi 11V 00L.
Gambar 3 Geometri turbin.
Grafik 1. Perbandingan daya dengan jarak
downstream .1,061 m/s
downstream .  Namun  pada  semua  variasi lateral perbandingan daya  tidak  konstan  meningkat namun juga terjadi penurunan dengan penambahan jarak downstream . Pada  garis  kecenderugan  pada  variasi  lateral  yang semakin  kecil  akan  lebih  tinggi  nilai  perbandingan  daya yang didapat.
Nilai  optimal  atau  perbandingan  antara  kedua  turbin yang  bernilai  satu  atau  mendekati  adalah  pada  variasi lateral sebesar 0.5 diameter dan jarak downstream sebesar 6  diameter  dengan  nilai  perbandingan  daya  1.042.  Nilai daya turbin kedua yang lebih besar dapat disebabkan oleh besar  tekanan  pada  turbin  kedua  lebih  besar  daripada turbin pertama.
Nilai  optimal  pemasangan  yang  didapat  sama  denag pada percobaan denagn variasi kecepatan arus 1.061 m/s yakni pada  variasi lateral  sebesar 0.5 diameter dan jarak downstream sebesar 6 diameter dengan nilai perbandingan  daya  1.034.  Nilai  daya  turbin  kedua  yang lebih  besar  dapat  disebabkan  oleh  besar  tekanan  pada turbin kedua lebih besar daripada turbin pertama.
Nilai  optimal  jarak downstream yang  didapat  sama dengan  pada  kecepatan  arus  sebelumnya  yakni  pada variasi lateral 0.5  diameter  dan  jarak downstream 6 diameter  dengan  nilai  perbandingan  daya  sebesar  1.007. Sepertihalnya  pada  variasi  arus  seblunya,  besar  nilai perbandingan  yang  melebihi  1  disebabkan  oleh  tekanan pada  turbin  kedua  yang  lebih  besar  disbanding  turbin pertama.
Dapat  dilhat  pada  Grafik  4,  Grafik  5,  dan  Grafik  6, kenaikan  nilai  arus  cenderung  berakibat  pada  penurunan nilai  C P .  hal  ini  sesuai  dengan  dasar  teori  bahwa  ketika melebihi  titk  optimum,  nilai  C P akan  semakin  turun  jika kecepatan  arus  bertambah  pada  kondisi  putaran  konstan. Dari  pembahasan  grafik  perlu  diperhatian  untuk mendesain putaran sehingga akan memiliki nilai effisiensi turbin yang paling optimal.

## VI. KESIMPULAN
1. Jarak downstream minimal  untuk  menghasilkan perbandingan  daya  optimal  pada  kecepatan  arus 1.061  m/s  adalah  pada  6  diameter  dengan  jarak
0.700 0.900 1.100 5 6 7 8 9 10 P1:P2 Jarak Downstream (D) 14V 14V 00L 14V 05L 14V 10L
Linear (14V 00L) Linear (14V 05L) 0.700 0.800 0.900 1.000 1.100 5 6 7 8 9 10 P1:P2 Jarak Downstream (D) 18V 18V 00L 18V 05L 18V 10L Linear (18V 00L) Linear (18V 05L) 0.100 0.150 0.200 0.250 5 6 7 8 9 10 CP Jarak Downstream CP 00L 18V 00L 1 14V 00L 1
11V 00L 1 18V 00L 2 14V 00L 2 11V 00L 2 Linear (18V 00L 1) Linear (14V 00L 1) Linear (11V
00L 1)
0.100 0.120 0.140 0.160 0.180 0.200 0.220 0.240 0.260 0.280 5 6 7 8 9 10 CP Jarak Downstream CP 05L 18V 00L 1
14V 00L 1 11V 00L 1 18V 00L 2 14V 00L 2 11V 00L 2 Linear (18V 00L 1) Linear
(14V 00L 1) Linear (11V 00L 1) 0.100 0.120 0.140 0.160 0.180 0.200 0.220 0.240 0.260 5 6 7 8 9 10 CP Jarak Downstream CP 10L 18V 00L 1 14V 00L 1 11V 00L 1
18V 00L 2 14V 00L 2 11V 00L 2 Linear (18V 00L 1) Linear (14V 00L 1) Linear (11V 00L 1) Linear (18V
00L 2)
Linear (14V 00L 2)
Linear (11V 00L 2)
Grafik 2. Perbandingan daya dengan jarak
downstream .1,414 m/s
Grafik 3. Perbandingan daya dengan jarak
downstream .1,768 m/s
Grafik 4. Koefisien daya dengan jarak downstream .pada 00L
Grafik 5. Koefisien daya dengan jarak downstream .pada 05L
Grafik 6. Koefisien daya dengan jarak downstream .pada 10L
lateral 0.5  diameter,  dengan  besar  perbandingan daya turbin adalah 1.042.
2. Jarak downstream minimal  untuk  menghasilkan perbandingan  daya  optimal  pada  kecepatan  arus 1.414  m/s  adalah  pada  6  diameter  dengan  jarak lateral 0.5  diameter,  dengan  besar  perbandingan daya turbin adalah 1.034.
3. Jarak downstream minimal  untuk  menghasilkan perbandingan  daya  optimal  pada  kecepatan  arus 1.678  m/s  adalah  pada  6  diameter  dengan  jarak lateral 0.5  diameter,  dengan  besar  perbandingan daya turbin adalah 1.007.
4. Pada variasi jarak lateral 1.0 diameter, tidak muncul perbandingan  daya  yang  nilainya  sama  dengan  atau lebih dari 1, nilai perbandingan daya terbesar tterjadi pada  jarak downstream 8  diameter  dan  kecepatan arus  sebesar  1.061  dengan  nilai  perbandingan  daya adalah 0.985.
5. Semakin  besar  variasi  kecepatan  arus,  turbin  akan menghasilkan  torsi  dan  daya  yang  semakin  besar, namun effisiensi turbin akan semakin kecil.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Kebutuhan Listrik Indonesia Tumbuh 8,4% per tahun , http://energitoday.com , Diakses 9 Maret 2015 .
[2] Lynn  P.  A.  (2014).  “ Electricity  from  Wave  and Tide ”. Imperial College London, UK.
[3] Ingram  G.  (2011).  “ Wind  Turbine  Analysis  Using the  Blade  Element  Momentum  Method ”.  Durham University.
[4] National Renewable Energy
Laboratory, http:www;//www.nrel.gov/, Diakses 20 Mei 2015 .
[5] Marine  and  Hydrokinetic  Technology  Glossary, http://energy.gov/,  Diakses 9 Maret 2014.